CN110048429A - 配电网中性点位移电压辨识方法及有源抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种配电网中性点位移电压辨识方法，属于电力系统分析、运行与电能质量综合治理技术领域。本发明的目的是根据注入电流信号与测量电压的比值，判断中性点位移电压产生的原因，并利用电网的不对称度计算出理想注入电流值，抑制中性点位移电压产生的配电网中性点位移电压辨识方法及有源抑制方法。本发明通过测量导纳中实部与虚部的变化情况，辨识出配电网中性点位移电压产生的原因。本发明开始根据测量导纳中电导与电纳变化情况，判断中性点位移电压产生的原因，不仅能在中性点电压超出规定的15%相电压前，通过注入电流抑制中性点位移电压，还能辨别电网是否出现其他故障类型。通过闭环控制方法控制有源逆变装置，保证注入电流的精确性，可控性。

Description

配电网中性点位移电压辨识方法及有源抑制方法

技术领域

本发明属于电力系统分析、运行与电能质量综合治理技术领域。

背景技术

我国中压配电网普遍以经消弧线圈或不接地方式为主，在不接地系统中，由于架空线路换位欠佳、配电网带高压负载、铁磁谐振的出现等原因均会导致三相对地参数的互不相等，使得中性点出现不对称电压。

在经消弧线圈接地的系统中，消弧线圈的投入加大了中性点与大地之间的零序阻抗，使得中性点位移电压加大，较大的过电压会使电力线路、变压器、互感器等电气设备的效率与性能下降，降低电网的安全与经济性能。

现有的配电网中性点位移电压的抑制方法主要采用投切三相耦合电容器的方法，补偿线路对地电容的不平衡，该方法操作简单，在电力系统中得到广泛应用，但实际运行中，此方法难以实时跟踪电网的动态变化，不能做到中性点电压的动态补偿。随着电力电子技术的发展，采用可关断的IGBT组成自换相桥式电路的静止同步补偿器，可以补偿低压配电网因三相负载不平衡产生的中性点位移电压，在补偿不平衡负荷问题中应用越来越广，但是在中压配电网运行中，三相不平衡的主要原因是线路对地电容的不相等，此方法不能抑制由于对地参数不平衡而导致的过电压。

发明内容

本发明的目的是根据注入电流信号与测量电压的比值，判断中性点位移电压产生的原因，并利用电网的不对称度计算出理想注入电流值，抑制中性点位移电压产生的配电网中性点位移电压辨识方法及有源抑制方法。

本发明的E_a、E_b、E_c分别为三相电源电压；U₀为中性点位移电压；L、g_L分别为消弧线圈调谐电感与损耗电导；I_s为注入的零序电流；K为单相高压开关；T为隔离变压器，变比为1:1，C_a、C_b、C_c为配电网各相对地电容；g_a、g_b、g_c为配电网各相泄漏电导,由检测装置,电流闭环控制器及脉冲驱动电路构成,电压互感器为开口三角形型电压互感器，通过向配电网注入信号,检测开口处的电压,根据导纳变化情况,判断故障类型,注入至中性线上的电流为电流闭环控制目标，通过闭环控制器生成调制信号驱动有源逆变装置开关的关断，调节后的注入电流由变压器角接侧接地变压器注入，通过向配电网注入一恒频信号，注入信号到系统一次侧后，通过系统的对地电容构成回路，注入信号在线路及对地电容上产生的压降可以通过开口三角形电压互感器测到，且接地变压器一般为Z型变压器，零序阻抗很小，所以可以忽略不计，近似认为U_i就是在测量信号在对地导纳上的压降；

测量电流信号为在开口处测得的测量电压为U_i，则测量的辨识导纳大小为：

式中：g_∑为系统总泄露电导；m为实数；ω₁为基波角频率；C_Σ为系统总对地电容；L_VT为电压互感器等效励磁电感；

通过测量导纳中实部与虚部的变化情况，辨识出配电网中性点位移电压产生的原因。

本发明的中性点位移电压有源抑制方法是：通过放电电阻R_dc、充电电容C_dc缓冲无功能量，再经逆变器和滤波电感L₀滤波电容C₀组成的滤波电路，形成单相交流电流，

不对称电压为：

式中：U₀₀为不对称电压；U_ph为电网相电压；d为系统的阻尼率，得U₀₀＝-εU_ph；ε为电网的不对称度；

根据基尔霍夫定律可知：

式中：U₀为中性点位移电压；

线路各相的对地泄露电导相等g_a＝g_b＝g_c＝g₀，故：

g₀+α²g₀+αg₀＝0 (6)

注入电流应为：

I_s＝εjωC_ΣE_a (7)

有源逆变装置向中性线注入电流I_s，可以补偿投入消弧线圈之前系统因对地参数不平衡所产生的对地不平衡电流，此时消弧线圈相当于被短路，系统等效为直接接地状态，U₀＝0；

I_s ^*为注入电流的参考值，K_pwm为逆变器的等效增益，G_V(s)是流过滤波电感的电流与注入电流之间的传递函数：

令：

则注入电流闭环的传递函数为：

本发明通过注入电流测量信号至中性点的方式，从开口三角形电压互感器检测测量电压，根据注入电流信号与测量电压的比值，判断中性点位移电压产生的原因，通过有源逆变装置向中性点注入零序电流的抑制方法，并利用电网的不对称度计算出理想注入电流值，抑制中性点位移电压的产生。为了达到更好的抑制效果，本发明通过闭环控制方法控制有源逆变装置，保证注入电流的精确性，可控性。本发明提出了一整套关于解决因三相对地电容不平衡及投入消弧线圈所导致的中性点位移电压升高的方案，开始根据测量导纳中电导与电纳变化情况，判断中性点位移电压产生的原因，不仅能在中性点电压超出规定的15％相电压前，通过注入电流抑制中性点位移电压，还能辨别电网是否出现其他故障类型。根据不对称度计算理想的注入电流值时，由于只需利用三相的对地电容值则可，所以不对称度的计算方便，通过闭环控制器，以注入电流为控制目标，通过实时调节注入电流幅值与相位，达到快速抑制中性点电压的目的。

附图说明

图1是辨识中性点电压产生原因及有源抑制方法原理图；

图2是辨识系统的等效电路；

图3是有源逆变装置的拓扑图；

图4是注入电流闭环控制框图；

图5是注入电流前后中性点位移电压波形；

图6是注入电流前后三相电压波形。

具体实施方式

本发明采用如下步骤：

(1)对中性点电压进行检测，当中性点电压超过相电压5％时，由于单相短路接地、铁磁谐振及三相不平衡均会导致中性点位移电压升高，则需要判断中性点位移电压产生的原因，这时向配电网注入一恒频测量电流信号。

(2)利用开口三角形电压互感器测得开口处的测量电压，根据测量电流与测量电压的比值中实部与虚部的变化情况，判断中性点位移电压产生的原因。

(3)如果中性点位移电压产生的原因为三相不平衡所造成的，则根据电网的不对称度计算参考注入电流值，并通过有源逆变装置向中性点注入电流。

(4)对注入到中性线上的电流进行采样，通过闭环反馈控制器控制有源逆变装置，实时调节注入电流的幅值与相位，减少注入电流的误差，保证中性点电压的抑制效果。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

图1为本发明的系统原理图，E_a、E_b、E_c分别为三相电源电压；U₀为中性点位移电压；L、g_L分别为消弧线圈调谐电感与损耗电导；I_s为注入的零序电流；K为单相高压开关；T为隔离变压器，变比为1:1，它可以使有源逆变装置与中性点之间电气隔离，保证原副边的绝缘性能，通过向中性点注入电流达到抑制位移电压的目的；C_a、C_b、C_c为配电网各相对地电容；g_a、g_b、g_c为配电网各相泄漏电导,本发明由检测装置,电流闭环控制器及脉冲驱动电路构成,图中电压互感器为开口三角形型电压互感器，通过向配电网注入信号,检测开口处的电压,根据导纳变化情况,判断故障类型,注入至中性线上的电流为电流闭环控制目标，通过闭环控制器生成调制信号驱动有源逆变装置开关的关断，调节后的注入电流由变压器角接侧接地变压器注入。

图2为辨识系统的等效电路，通过向配电网注入一恒频信号(频率选择不能离工频太近且要与工频整数倍的谐波频率相区分，为一间谐波信号，以免影响电网的正常运行，方便检测信号的分离)，注入信号到系统一次侧后，通过系统的对地电容构成回路，注入信号在线路及对地电容上产生的压降可以通过开口三角形电压互感器测到，且接地变压器一般为Z型变压器，零序阻抗很小，所以可以忽略不计，近似认为U_i就是在测量信号在对地导纳上的压降。

测量电流信号为在开口处测得的测量电压为U_i，则测量的辨识导纳大小为：

式中：g_∑为系统总泄露电导；m为实数；ω₁为基波角频率；C_Σ为系统总对地电容；L_VT为电压互感器等效励磁电感。

可以看出，与系统正常运行情况相比，当发生单相接地故障时，由于过渡电阻的影响，g_∑会增大，B_i大小基本保持不变；铁磁谐振时，由于电压互感器出现饱和，其等效励磁电感将会减少，并与系统对地电容发生并联谐振，近似为开路状态，g_∑基本保持不变，B_i会减少；如果是三相不平衡，则网络拓扑基本不变，g_∑、B_i无明显变化。综上所述，与系统正常运行的情况相比，通过测量导纳中实部与虚部的变化情况，可以辨识出配电网中性点位移电压产生的原因，从而采取相关的措施。

有源逆变装置的拓扑图如图3所示，由三相交流源经不可控整流器整流为直流电，通过放电电阻R_dc、充电电容C_dc缓冲无功能量，再经逆变器和滤波电感L₀滤波电容C₀组成的滤波电路，形成单相交流电流。此有源逆变装置相当于在中性点与大地之间形成了一个阻抗为无穷大的电流通路，通过向中性点注入零序电流，达到抑制不对称电压的目的，同时不改变原有的接地方式，所以可将其近似等效成一个幅值与相位可控的电流源。

投入消弧线圈之前，为中性点不接地系统，不对称电压为：

式中：U₀₀为不对称电压；U_ph为电网相电压；d为系统的阻尼率，一般为1.5％-2.0％，忽略阻尼率，可得U₀₀＝-εU_ph；ε为电网的不对称度。

由图1，根据基尔霍夫定律可知：

式中：U₀为中性点位移电压。

通常情况下，可以认为电气设备三相绝缘的运行条件和污秽情况大致相同，所以线路各相的对地泄露电导相等g_a＝g_b＝g_c＝g₀，故：

g₀+α²g₀+αg₀＝0 (6)

结合以上公式，可知无论是投入消弧线圈之前还是之后，只需使有源逆变装置注入合适幅值与相位的零序电流到中性点就可有效抑制不对称电压或中性点位移电压，此时注入电流应为：

I_s＝εjωC_ΣE_a (7)

不对称度即可通过式(3)，测量投入消弧线圈前的中性点电位与相电压作比所得，也可通过式(4)直接计算得出。

综上所述，有源逆变装置向中性线注入电流I_s，可以补偿投入消弧线圈之前系统因对地参数不平衡所产生的对地不平衡电流，此时消弧线圈相当于被短路，系统等效为直接接地状态，U₀＝0。

图4为注入电流闭环控制框图，为保证注入电流能迅速跟踪目标、提高控制精度、减小稳态误差，对电流采用比例积分控制方法，I_s ^*为注入电流的参考值，K_pwm为逆变器的等效增益，G_V(s)是流过滤波电感的电流与注入电流之间的传递函数：

由于系统采用的是变比为1:1的隔离变压器，R_Σ、C_Σ、L经折算后的值不变，所以令：

则注入电流闭环的传递函数为：

仿真分析

为更好的验证本文提出的有源抑制方法的有效性，根据蒙东某66kV系统现场实际的参数，51.6km的LGJ-240/30型号架空线路与62.026km的LGJ-150/25型号架空线路，9.43km电缆构成，架空线路采用垂直排列，顺序为A、B、C相，相间几何间距为2.5m，C相距地15m，利用镜像法计算各相线路参数，所得结果如表1所示。

表1各相线路参数

采用Matlab仿真建立66kV系统配电网，电网频率50Hz，直流侧放电电阻10kΩ，充电电容0.047F，滤波电感2mH，滤波电容100μF，LGJ-150/25型号架空线路零序电阻r₀＝0.336Ω/km；零序电感L₀＝4.655mH/km；LGJ-240/30零序电阻r₀＝0.26Ω/km；零序电感L₀＝4.61mH/km；电缆线路r₀＝1.23Ω/km；L₀＝1.67mH/km；一般泄露电阻为对地电容容抗的20倍以上，仿真采用g_a＝g_b＝g_c＝2.5×10^-5s，根据式(4)(7)得出不对称度为3.4％，注入电流

在系统出现不平衡状况0.05s后，投入有源逆变装置向系统注入电流，图5可以看出，在投入装置之前，中性点位移电压的峰值已将近达到4kV，超出了相电压的5％，三相不平衡情况已经相当严重，注入零序电流后，中性点电压被抑制到了20V以内，抑制效果良好。图6为抑制前后三相电压仿真波形，注入电流前三相电压严重不平衡，A相的相电压有效值比B相高出将近5kV，注入电流后，三相电压恢复平衡状态。

仿真结果说明，虽然由于仿真过程存在着一些不可避免的误差，比如线路、变压器等负荷因素都会使仿真与理论出现不同，无法抑制中性点电压到0，输出的注入电流与理论值也有一定的偏差，但是偏差很小，而且抑制率可达98％以上，消除了因为三相不平衡所导致的中性点位移电压，可以验证所提理论及控制方法的正确性与可行性。

Claims (2)

1.一种配电网中性点位移电压辨识方法，其特征在于：E_a、E_b、E_c分别为三相电源电压；U₀为中性点位移电压；L、g_L分别为消弧线圈调谐电感与损耗电导；I_s为注入的零序电流；K为单相高压开关；T为隔离变压器，变比为1:1，C_a、C_b、C_c为配电网各相对地电容；g_a、g_b、g_c为配电网各相泄漏电导,由检测装置,电流闭环控制器及脉冲驱动电路构成,电压互感器为开口三角形型电压互感器，通过向配电网注入信号,检测开口处的电压,根据导纳变化情况,判断故障类型,注入至中性线上的电流为电流闭环控制目标，通过闭环控制器生成调制信号驱动有源逆变装置开关的关断，调节后的注入电流由变压器角接侧接地变压器注入，通过向配电网注入一恒频信号，注入信号到系统一次侧后，通过系统的对地电容构成回路，注入信号在线路及对地电容上产生的压降可以通过开口三角形电压互感器测到，且接地变压器一般为Z型变压器，零序阻抗很小，所以可以忽略不计，近似认为U_i就是在测量信号在对地导纳上的压降；

测量电流信号为在开口处测得的测量电压为U_i，则测量的辨识导纳大小为：

式中：g_∑为系统总泄露电导；m为实数；ω₁为基波角频率；C_Σ为系统总对地电容；L_VT为电压互感器等效励磁电感；

通过测量导纳中实部与虚部的变化情况，辨识出配电网中性点位移电压产生的原因。

2.权利要求1所述的配电网中性点位移电压辨识方法，其特征在于：中性点位移电压的有源抑制方法是：通过放电电阻R_dc、充电电容C_dc缓冲无功能量，再经逆变器和滤波电感L₀滤波电容C₀组成的滤波电路，形成单相交流电流，

不对称电压为：

式中：U₀₀为不对称电压；U_ph为电网相电压；d为系统的阻尼率，得U₀₀＝-εU_ph；ε为电网的不对称度；

根据基尔霍夫定律可知：

式中：U₀为中性点位移电压；

线路各相的对地泄露电导相等g_a＝g_b＝g_c＝g₀，故：

g₀+α²g₀+αg₀＝0 (6)

注入电流应为：

I_s＝εjωC_ΣE_a (7)

有源逆变装置向中性线注入电流I_s，可以补偿投入消弧线圈之前系统因对地参数不平衡所产生的对地不平衡电流，此时消弧线圈相当于被短路，系统等效为直接接地状态，U₀＝0；

I_s ^*为注入电流的参考值，K_pwm为逆变器的等效增益，G_V(s)是流过滤波电感的电流与注入电流之间的传递函数：

令：

则注入电流闭环的传递函数为：